第6章-晶体三极管及其放大电路..ppt

1、1,第6章 导 引,1-3章所学器件,第5章所学器件,器件结构 输入/输出伏安特性 工作参数 电压放大电路 功率放大电路,三极管,二极管,第六章,2,第6章 晶体三极管及其放大电路,6.1 晶体三极管 6.2 放大电路的组成和工作原理 6.3 放大电路的分析 6.4 放大电路的三种接法 6.5 电流源电路 6.6 功率放大电路,3,6.1 晶体三极管,几种常见晶体管的外形,晶体管的外型,中功率管,大功率管,4,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子,6.1.1 晶体管的结构及其类型,1.结构,5,2. 类型,6.1.1 晶体管的结构

2、及其类型,发射极,基极,集电极,发射极,基极,集电极,6,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,外部条件,发射区比基区重掺杂； 基区很薄； 集电区面积大,内部条件,6.1.2 晶体管的电流分配与放大作用,7,电流分配：IEIBIC,3个电极的电流关系IEICIB,交流电流放大系数,直流电流放大系数,大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。,6.1.2 晶体管的电流分配与放大作用,8,1. 输入特性,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,VBE： 0.6V0.7V（硅管） 0.2V0.3V（锗管）,9,对应于一个

3、IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,饱和区,放大区,截止区,2. 输出特性,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,10,截止区：iB=0的曲线下方。iC=ICEO uBE小于死区电压, 为了可靠截止，常使得发射结和集电结均反偏。,饱和区,放大区,截止区,放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，uCEUCES (饱和压降)。此时，发射结正偏，集电结正偏。,UCES,硅管UCES0.3V, 锗管UCES0.1V,输出特性曲线的三个区域:,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,11,NPN型,PNP型,中间电位为B,

4、B,B,与B脚相差0.6V0.7V为E脚，是硅管； 相差0.2V0.3V为E脚，是锗管,E,E,剩下的为C脚,C,C,硅管,锗管,NPN,PNP,【例6.1.3】 已知工作在放大区，今测得它们的管脚对地电位如下图所示，试判别三极管的三个管脚，说明是硅管还是锗管？是NPN还是PNP型三极管？,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,12,6.1.4 晶体管的主要参数,A点对应的 IC=6mA，IB=40A,电流放大系数,A,3DG6的输出特性,直流,13,值的求法：,在A点附近找两个uCE相同的点C和D,所以,对应于C点，iC=8.8mA，iB=60A；,对应于D点，iC=3.3mA，iB=20A，,

5、iC =8.8-3.3=5.5mA，,iB=60-20=40A，,A,3DG6的输出特性,C,D,6.1.4 晶体管的主要参数,交流,工作在放大区平坦部分的晶体管，在估算时可认为,14,2. 极间反向电流ICBO、 ICEO,ICEO=（1+ ）ICBO,由图可见，ICEO不单纯是一个PN结的反向电流,所以，大的三极管的温度稳定性较差,ICBO是少数载流子电流，受温度影响很大，ICBO越小越好。,6.1.4 晶体管的主要参数,15,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,3. 极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,6.1.4 晶体管的主要参数,安全工 作区

6、,16,小 结,电流分配：IEIBIC,3个电极的电流关系IEICIB,1. 输入特性,2. 输出特性,放大区,17,习题解答,18,习题解答,19,习题解答,20,6.2 放大电路的组成和工作原理,信号源,放大器,负载,直流电源 （放大信号增加的能量由该电源提供）,21,习题解答,22,习题解答,23,复习,电流分配：IEIBIC,3个电极的电流关系IEICIB,1. 输入特性,2. 输出特性,放大区,24,信号源,放大器,负载,直流电源 （放大信号增加的能量由该电源提供）,复习,基本共射极放大电路的组成,25,放大电路分析,静态分析,动态分析,确定静态工作点Q(IBQ、ICQ、UCEQ),

7、确定电压放大倍数Au 、输入电阻Ri、输出电阻Ro等,静态值是直流，故用直流通路来分析计算,静态值确定后分析信号的传输情况，只考虑电流和电压的交流分量(信号分量),放大电路的分析方法,静态分析的方法,1.估算法 2.图解法,动态分析的方法,1.微变等效电路 2.图解法,6.3 放大电路的分析（以基本共射极放大电路为例）,26,直流通路,交流通路,放大电路分析步骤一：分解直流通路与交流通路,电容的作用 隔直流，通交流,27,放大电路分析步骤二：用直流通路确定静态值,当VCCUBEQ时，,UBEQ硅管:0.6V0.7V, 锗管:0.2v0.3V,计算法,图解法,直流负载线,直流负载线,28,放大电

8、路分析步骤三：用交流通路完成动态分析,1. 微变等效电路法 （1）三极管的微变等效电路,29,微变等效电路,放大电路分析步骤三：用交流通路完成动态分析,电压放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro,计算,（2）电路的微变等效电路,30,对上述电路通常希望Ri高一些,放大电路分析步骤三：用交流通路完成动态分析,（3）计算Au、Ri、Ro,31,2. 图解法,放大电路分析步骤三：用交流通路完成动态分析,32,所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ。,T（ ）ICQ,Q上移 (进入饱和),温度对静态工作点的影响 温

9、度升高，静态工作点向饱和区移动； 温度降低，静态工作点向截止区移动。,6.4 晶体管放大电路的三种接法,Q,Q,33,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,1. 电路组成,加了Rb1和Re，构成基极分压式射极偏置电路,静态工作点稳定的典型电路,6.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路,34,为了稳定Q点，通常I1 IBQ，即I1 I2；因此,基本不随温度变化,若使VBQ UBEQ， 则IEQ稳定,一般对硅管，取I1=(510)IBQ ，VBQ=(510)UBEQ,T()ICQ IEQ UEQ (IEQRe)UBEQ(UB基本不变) IBQ ICQ,这种电路稳定工作点的过程：,2. 静态分析,

10、6.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路,35,3. 动态分析,6.4.1、静态工作点稳定的共射放大电路,36,6.3.4.动态分析之失真分析动态范围,截止失真(NPN输出波形削顶),消除方法：（1）增大VBB，即向上平移输入回路负载线。,截止失真是在输入回路首先产生失真！,（2）减小Rb,： Rb,IBQ,Q,1非线性失真,原因：输入信号太大或静态工作点过高或过低,ui负半周时会使uBE=UBEQ+ui小于死区电压，晶体管进入截止区。,37,饱和失真(NPN输出波形削底),Rb或或VBB ,Rc或VCC,饱和失真是输出回路产生失真。,6.3.4.动态分析之失真分析动态范围,ui正半周时会使晶

11、体管进入饱和区，iC达到临界饱和电流,38,UR=UCEQ-UCES,对于小功率硅管，UCES一般取0.51V。,2. 最大输出电压幅值,受饱和失真限制 求UR,受截止失真限制 求UF,6.3.4.动态分析之失真分析动态范围,39,1、输出波形顶部失真时： 对NPN管，是截止失真；对PNP管，是饱和失真 2、输出波形底部失真时： 对NPN管，是饱和失真；对PNP管，是截止失真,与是什么放大电路也有关，比如共射电路或共集电极电路。,NPN，比如同是消底，共射电路是饱和失真，共集电极电路就是截止失真。,iC 、 uCE (uo )波形失真总结,40,1. 静态分析,b极输入，e极输出，c为公共端,

12、6.4.2 共集电极放大电路,41,故称之为 射极跟随器,2. 动态分析：电压放大倍数,42,Ri与负载有关！,2. 动态分析：输入电阻的分析,43,令Us为零，保留Rs，在输出端加U，产生I, 。,2. 动态分析：输出电阻的分析（“加压求流法”）,Ro与信号源内阻有关！,44, 电压增益小于1但接近于1，uo与ui同相, 输入电阻大，对电压信号源衰减小, 输出电阻小，带负载能力强,共集电极电路特点：,45,1.静态分析,直流通路与射极偏置电路相同,6.4.3 共基极放大电路,46,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,微变等效电路,2.动态指标,47,输入电阻,输出电阻,微

13、变等效电路,2.动态指标,48,、输入电阻小 、输出电阻大，与共射电路的相同 、有电压放大能力，且输入输出同相 、无电流放大作用：信号源为晶体管提供的电流为Ie，而输出回路电流为Ic，Ic Ie 、频带宽！电流放大系数为，的截至频率远大于的，故共基电路的通频带在三种接法中最宽，适于作宽频带放大电路,输入电阻小，输出电阻大； 只放大电压，不放大电流！频带宽！,3. 基本共基放大电路的特点,49,三种接法的比较：空载情况下,50,图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,讨论二：,51,电流源的作用：有源负载 恒流偏

14、置,6.5.1 镜像电流源电路,6.5 电流源电路,52,6.5.1 镜像电流源电路,电阻比较多 用二极管代替Rb2用三极管代替二极管,53,6.5.1 镜像电流源电路,VT1 和 VT2 特性完全相同。,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,基准电流,54,VT1 和 VT2 特性完全相同。,成特定比例关系,6.5.2 比例式电流源电路,只要b足够大，,55,设计过程很简单，首先确定IR和IO，然后选定R和R2。,超越方程,要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,6.5.3 微电流源电路,56,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,根据所需静态电流，来确定集电结面积。

15、,多路电流源,57,哪只管子为放大管？ 其集电结静态电流约为多少？ 静态时UIQ为多少？,为什么要考虑 rce?,6.5.4 电流源作有源负载,58,（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态 （2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 （3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态,（1）输出功率尽可能大:即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。 （2）效率尽可能高: 即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。 （3）减小失真,3. 晶体管的工作方式,2. 对功率放大电路的要求,59,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,

16、乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,(a)甲类 (b) 乙类 (c) 甲乙类 (d) 丙类,6.6 功率放大电路,60,1. 功率放大电路研究的问题,（1）性能指标：输出功率和效率。 若已知Uom，则可得Pom。,最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。 （2）分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。 （3）晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。 在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO， 集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM 。称为工

17、作在极限状态。,6.6 功率放大电路,6.6.1 功率放大电路概述,61,6.6.2 互补对称功率放大电路（OCL）,互补输出级是直接耦合的功率放大电路。 对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗； 最大不失真输出电压最大。,符合要求吗？,1. 输出级的要求,62,静态时T1、T2均截止，UB= UE=0,(1)特征：T1、T2特性理想对称。,(2)静态分析,T1的输入特性,2.基本电路,63,ui正半周，电流通路为 +VCCT1RL地， uo = ui,两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。,ui负半周，电流通路为 地 RL T2 -VCC， uo = ui,（

18、3）动态分析,64,消除失真的方法： 设置合适的静态工作点。,信号在零附近两只管子均截止,开启电压, 静态时T1、T2处于临界导通状态，有信号时至少有一只导通； 偏置电路对动态性能影响要小。,3. 交越失真,65,交流相当于短路,VT3为前级放大管，设有合适的静态工作点,实用电路,4. 消除交越失真的互补输出级,66,然后求出电源的平均功率，,效率,在已知RL的情况下，先求出Uom，则,求解输出功率和效率的方法：,5. OCL电路输出功率和效率的分析计算,67,大功率管的UCES常为23V。,若忽略Uces,(1) 输出功率,68,若忽略Uces,(2) 效率,69,(3) 晶体管的极限参数,PT对UOM求导，并令其为0，可得,在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。,管子功耗与输出电压峰值的关系为,管压降,发射极电流,70,因此，